Maciej Wyrzykowski
ALTERNATYWNE ŹRÓDŁA ENERGII
Odnawialne źródła energii – źródła energii, których używanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem. W Ustawie Prawo energetyczne źródła energii zdefiniowano następująco: „Odnawialne źródło energii – źródło wykorzystujące w procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także z biogazu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątek roślinnych i zwierzęcych”. Najważniejszym ze źródeł odnawialnych jest energia spadku wody. Pozostałe źródła odnawialne - energia słoneczna, energia wiatru, biomasy, biogazu, pływów morskich, energia geotermalna i inne - są używane na mniejszą skalę.
Konwersja energii jest zamianą jednej jej postaci na inną. W myśl zasady zachowania energii energia całkowita nie ulega zmianie. Jednak poszczególne składniki wchodzące w skład energii całkowitej mogą rosnąć lub maleć. W maszynach i urządzeniach energetycznych występuje zwykle kilka stopni konwersji energii.
1.Energia słoneczna
Około 40% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 40% energii dociera do powierzchni Ziemi. Oświetlenie powierzchni Ziemi nie jest równomierne. Zależy od szerokości geograficznej, pory roku i pory dnia. Obliczono, że jednemu metrowi kwadratowemu powierzchni Ziemi Słońce dostarcza w ciągu dnia na naszej szerokości geograficznej średnio 2,7kWh energii. Jest to wartość równa energii, jaką uzyskujemy ze spalenia jednej trzeciej litra benzyny. Słońce to podstawowe, niewyczerpalne i czyste źródło aaenergii odnawialnej. W postaci promieniowania słonecznego do zewnętrznej warstwy atmosfery dociera energia o wartości 1.36 kW/m2. Jest to tzw. stała słoneczna. Podczas przechodzenia przez atmosferę, promieniowanie to jest osłabiane na skutek odbicia, rozproszenia i absorpcji na cząsteczkach gazów i pyłów. Ta część promieniowania, która dociera bez przeszkód do powierzchni ziemi jest nazywana "promieniowaniem bezpośrednim". Natomiast część, która jest odbita oraz absorbowana a później emitowana przez cząsteczki gazów i pyłów, dochodząc do powierzchni ziemi w sposób nieuporządkowany, nazywana jest "promieniowaniem rozproszonym". Suma promieniowania bezpośredniego (nasłonecznienia) i rozproszonego docierająca do ziemi to tzw. całkowite promieniowanie słoneczne - G [W/m2].
Suma energii napromieniowania bezpośredniego, rozproszonego i odbitego padająca w określonej jednostce czasu to nasłonecznienie - H [W/m2]. Kolejnym ważnym kryterium warunków heliocentrycznych jest usłonecznienie [h], czyli średnia liczba godzin z bezpośrednią operacją słońca w ciągu roku. W naszych szerokościach geograficznych i przy optymalnych warunkach pogodowych (bezchmurne niebo, środek dnia) wartość energii całkowitego promieniowania słonecznego wynosi od 900 kWh/m2 na rok do 1200 kWh/m2 na rok. Według normy przyjmuje się 1000 kWh/m2 na rok ± 10%. Wartości nasłonecznienia w Polsce w godzinach 9-15 wynoszą od 600-800 [W/m2].
W skali roku w Polsce możemy liczyć na usłonecznienie w przedziale od 1390 do 1900 godzin, w zależności od regionu. Średnio przyjmuje się wartość około 1600 godzin.
Rys. 1. Wykorzystywanie energii słonecznej
Rys. 2. Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do ogrzewania domu
Instalacje solarne z kolektorami słonecznymi to komplet urządzeń zapewniających ciepłą wodę, podgrzewanie wody w basenie i wspomaganie centralnego ogrzewania.
W skład instalacji solarnej wchodzą:
- kolektory słoneczne- zbiornik z wymiennikiem- zespół pompowy z zaworem bezpieczeństwa- sterownik elektroniczny- mocowania kolektora słonecznego- płyn niezamarzający- pompka do napełniania układu oraz naczynie zbiorcze
W przypadku kolektorów próżniowych można je bez zasadniczego wpływu na efektywność, zamontować na fasadzie budynku lub na płaskim dachu bez konstrukcji wsporczej. Oczywiście jest to mniej efektywny montaż niż pod kątem 45° i w kierunku południowym.
Zbiornik instalacji solarnej montuje się z reguły na strychu lub w kotłowni, gdzie można go podłączyć do zasilania z pieca c.o. Obok zbiornika montuje się zespół pompowy wraz z naczyniem wzbiorczym oraz sterownik elektroniczny. Rury zasilające od kolektora prowadzi się poprzez otwór wiercony w pokryciu dachowym (w przypadku blachy) lub w dachówce wentylacyjnej w przypadku pokrycia dachowego. Następnie jeśli zbiornik umieszczony jest na poddaszu rury od kolektora przyłącza się do zbiornika a od niego wyprowadza połączenie z obiegiem ciepłej wody. Jeśli zbiornik umieszczony jest w kotłowni rury z kolektora prowadzi się wolnymi kanałami wentylacyjnymi ze strychu do kotłowni. W przypadku instalacji basenowych oraz dużych budynków mieszkalnych kolektory montuje się na dachu budynku mieszkalnego lub basenu (jeśli jest odpowiednio dużo miejsca). Jeśli nie ma odpowiednio dużej i wolnej połaci dachowej, kolektory montuje się na konstrukcji wolnostojącej.
Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo, solar lub ogniwo słoneczne) jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.
Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.
· Baterii słonecznych używa się w małych kalkulatorach, lampach solarnych i zegarkach.
· Przydatne jest zastosowanie ich w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.
· W 1981 r. Słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny.
· W niektórych miejscach na świecie ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują np. publiczne automaty telefoniczne (baterie słoneczne montowane są na dachu).
· Karawaning - w postaci paneli na dachu wozu kempingowego są w stanie doładowywać akumulator samochodu na postoju przy używaniu różnych odbiorników energii jak telewizory przenośne itp.
· Żeglarstwo - ogólnie stosowane do doładowywania akumulatora jachtu - bardzo istotne w związku z wymogiem posiadania radia (krótkofalówki) na pokładzie jachtów pełnomorskich .
W przyszłości mają być dużo tańsze od ogniw krzemowych, a ich produkcja ma być mniej skomplikowana. Prace nad tą metodą produkcji paneli słonecznych prowadził m.in. New Jersey Institute of Technology. Ogniwa mają być drukowane na zwykłych drukarkach atramentowych lub tworzone przez malowanie. Ogniwa te składają się z nanorurek, pokrywa się je następnie warstwą zabezpieczającą.
· ogrzewania pasywnego budynków
o ściana Trombe'a
· chłodzenia budynków
· podgrzewania wody
o termosyfonowe podgrzewacze wody
· suszenia płodów rolnych
Konwersja fototermiczna aktywna
Konwersja fototermiczna aktywna to zamiana energii promieniowania słonecznego na inną formę energii. Wykorzystują ją specjalnie skonstruowane urządzenia (w przeciwieństwie do systemów pasywnych).Aktywne systemy przygotowania ciepłej wody użytkowej budowane są w różnej skali. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2-6 m2 kolektorów) jak i duże instalacje (o powierzchni kolektorów powyżej 500 m2) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.
Fotochemiczna konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę zachodzi jedynie w organizmach żywych, ma bardzo niską sprawność (ok. 1%) i nosi nazwę fotosyntezy, jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego. Istnieją także metody wykorzystujące fotony do dezynfekcji i detoksykacji. Istnieje również projekt wykorzystywania energii słonecznej z przestrzeni kosmicznej. Ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę okołoziemską 40 satelitarnych elektrowni słonecznych, wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych.
Termoliza wody
W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Trwają pr...
Freakout